第9章 焊接

熔化极氩弧焊
焊丝
+
适用性 中厚板焊接 高合金钢，活泼金属
工件
Ar
氩弧焊实照

⑶钨极脉冲氩弧焊：电流幅值按一定频 率由高到低周期变换，连续焊缝实质是 单个脉冲形成的熔池连续重叠搭接而成。


2．二氧化碳气体保护焊： 以二氧化碳为保护气体的电弧焊。用焊丝作电 极，靠焊丝和焊件之间产生的电弧熔化工件金 属与焊丝，形成熔池，凝固后成为焊缝。焊丝 的送进靠送丝机构实现。焊丝由送丝机构送入 软导管，再经导电嘴送出。二氧化碳气体从喷 嘴中以一定流量喷出，电弧引燃后，焊丝端部 及熔池被二氧化碳气体包围，可防止空气对高 温金属的侵害。但二氧化碳是氧化性气体，在 电弧作用下能分解为CO和O，使钢中的碳、锰、 硅及其它合金元素烧损。为保证焊缝的合金成 份，需采用含锰、硅较高的焊接钢丝或含有相 应合金元素的合金钢焊丝。例如，焊接低碳钢、 低合金钢常选用H08Mn2SiA焊丝。
国产MZ系列自动埋弧焊机实照



2．埋弧焊的特点：生产率高，焊接质量 高而稳定，节省金属材料，改善劳动条件。 埋弧焊常用来焊接长的直线焊缝和较大直 径的环形焊缝。但埋弧焊设备费用较贵， 工艺装备复杂，对接头加工与装配要求严 格，只适用于批量生产长的直线焊缝与圆 筒形工件的纵、环焊缝。 3．埋弧焊的焊丝与焊剂：相当于焊芯与 药皮。
第9章
焊接
焊接是一种永久性连接金属材料的工艺方 法。焊接过程的实质是利用加热或加压力 等手段，借助金属原子的结合与扩散作用， 使分离的金属材料牢固地连接起来。



焊接方法分类： ⑴熔化焊：电弧焊（手工电弧焊、埋弧焊、 气体保护焊、等离子焊等）、电渣焊、真空 电子束焊、激光焊、气焊等。 ⑵压力焊：电阻焊（点焊、缝焊、对焊、凸 焊、高频焊等）、摩擦焊、爆炸焊、超声波 焊、扩散焊等。 ⑶钎焊。 其中，电弧焊是应用极其普遍的焊接方法。




二氧化碳气体保护焊的特点： ①成本低：焊接成本仅是埋弧焊和手工电弧焊的40%。 ②生产率高：焊丝送进是机械化或自动化，电流密度 大，电弧热量集中，焊接速度快。焊后没有渣壳，节 省了清渣时间，生产率比手工电弧焊通过1-3倍。 ③操作性能好：明弧焊可清楚看到焊接过程，容易发 现问题，及时调整处理。 ④质量较好：电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，因 而焊接热影响区较小，变形和产生裂纹的倾向小。氧 化性气体保护，焊缝含H量低。 缺点：二氧化碳的氧化作用使熔滴飞溅较为严重，因 此焊接成形不够光滑。另外，如果控制或操作不当， 容易产生气孔。
Ar
钨极 H2O
喷嘴
工件
等离子弧原理图
国产LHK-400型等离子弧焊机实照
§9．5


焊接件结构工艺性
9.5.1 焊接缺陷及其预防 1．焊接应力 焊接过程是一个极不平衡的热循环过程，即焊缝及其相 邻区金属都要由室温被加热到很高温度（焊缝金属已处 于液态），然后再快速冷却下来。由于在这个热循环过 程中，焊件个部分的温度不同，随后的冷却速度也各不 相同，因而焊件各部位在热胀冷缩和塑性变形的影响下， 必将产生内应力、变形甚至裂纹。当焊缝及其相邻区金 属处于加热阶段时都会膨胀，但受到焊件冷金属的阻碍， 不能自由伸长而受压，形成压应力。该压应力使处于塑 性状态的金属产生压缩变形。随后在冷却到室温时其收 缩又受到周边冷金属的阻碍，不能缩短到自由收缩所应 达到的位置，因而产生残余应力。




9.5.2 焊接接头工艺设计 1．焊缝的布置 ⑴焊缝布置应尽可能分散。 ⑵焊缝的位置尽可能对称。 ⑶焊缝应尽量避开最大应力断面和应力集 中位置。 ⑷焊缝应尽量避开机械加工表面。 ⑸焊缝位置应便于焊接操作。


2．手工电弧焊的原理及过程： 电弧在焊条与被焊工件之间燃烧，电弧热使 工件和焊芯同时熔化形成熔池，同时也使焊 条的药皮熔化和分解。药皮熔化后与液态金 属发生物理化学反应，所形成的熔渣不断从 熔池中浮起；药皮受热分解产生大量的CO2、 CO、H2等保护气体，围绕在电弧周围，熔渣 和气体能防止空气中氧和氮的侵入，起保护 熔化金属的作用。
钨极氩弧焊
钍钨棒或 铈钨棒
V丝
Ar V焊
适用性 薄板厚度0.56mm 易氧化非铁合金 和难熔活性金属
工件
+





⑵熔化极氩弧焊：以连续送进的焊丝作为电极进 行焊接，可用较大电流焊接厚度为25mm以下的工 件。 氩弧焊有以下特点： ①适于焊接各类合金钢、易氧化的非金属以及锆、 钽、钼等稀有金属。 ②氩弧焊电弧稳定，飞溅小，焊缝致密，表面没 有熔渣，成形美观。 ③电弧和熔池受气流保护，明弧可见，便于操作， 容易实现全位置自动焊接。弧焊机器人都是氩弧 焊设备。 ④电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，熔池较小， 焊接速度较快，焊接热影响区较窄，因而工件焊 后变形小。
9.1.4 等离子弧焊接与切割 一般电弧焊的电弧不受外界约束，称为自由电弧， 电弧区气体电离度约1/10000-1/1000，电弧温度 约5000-6000K。 等离子弧：电弧的弧柱受到压缩效应（机械压缩 效应、热压缩效应、电磁收缩效应），被压得很 细，使能量高度集中，弧柱内气体电离度可达 10%-100%，温度可达16000K以上。 等离子弧焊接实质上是一种具有压缩效应的钨极 气体保护焊。 等离子弧用于切割时，称为等离子弧切割。等离 子弧切割不仅切割效率比氧气切割高1-3倍，而 且还可以切割不锈钢、铜、铝及其合金以及难熔 的金属和非金属材料。



2．焊接变形 焊接应力的存在，会引起焊件的变形，变形 的基本类型有： ⑴纵向横向收缩变形（各种变形的最基本原 因）， ⑵角变形（平板对接、角接头、T形接头容 易产生）， ⑶弯曲变形，（细长梁不对称结构容易产生） ⑷扭曲变形（细长梁结构容易产生）， ⑸波浪变形（薄板焊件最容易产生）。



③低碳钢与低合金结构钢焊接，可按异种 钢接头中强度较低的钢材来选用相应的焊 条。（低组配原则） ④铸钢一般应选用碱性焊条。 ⑤焊接不锈钢或耐热钢等有特殊性能要求 的钢材，应选用相应的专用焊条，以保证 焊缝的主要化学成分与性能和母材相同。 （同成分原则）


9.1.2 埋弧焊 1．埋弧焊的焊接过程：焊接时，焊接机 头将光焊丝自动送入电弧区并保持选定的 弧长。电弧在颗粒状焊剂下面燃烧，焊机 带着焊丝均匀地沿坡口移动，或者焊机机 头不动，工件匀速运动。在焊丝前方，焊 剂从漏斗中不断流出撒在被焊部位。焊接 时，部分焊剂熔化形成熔渣覆盖在焊缝表 面，大部分焊剂不熔化，可重新回收使用。

焊条还可按熔渣性质分为酸性焊条和碱性焊 条两大类。药皮熔渣中酸性氧化物（如SiO2、 TiO2、Fe2O3）比碱性氧化物（如CaO、FeO、 MnO、Na2O）多的焊条为酸性焊条。此类焊条 适合各种电源，操作性能好，电弧稳定，成 本低，但焊缝强度稍低，渗合金作用弱，故 不宜焊接承受重载和要求高强度的重要结构 件。碱性氧化物比酸性氧化物多的为碱性焊 条。此类焊条一般采用直流电源，焊缝强度 高，抗冲击能力强，但操作性差，电弧不够 稳定，成本高，故只适合焊接重要结构件。



⑶焊条的种类及型号 焊条按化学成分划分为七大类：碳钢焊条、低 合金钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊 条及焊丝、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条。 其中应用最多的是碳钢焊条和低合金钢焊条。 碳钢焊条和低合金钢焊条型号用大写字母E和 数字表示，如E4303、E5015。E表示焊条；型 号中四位数字的前两位表示熔敷金属抗拉强度 的最小值，单位为kgf/mm2；第三位数字表示 焊条适用的焊接位置；第三与第四位数字组合 表示药皮类型和电流种类。
§9．1

电弧焊


9.1.1 焊条电弧焊（手工电弧焊） 手工电弧焊是利用焊条与工件间产生电弧热， 将工件和焊条熔化而进行焊接的方法。是焊 接生产中应用最广泛的方法。 1．焊接电弧：是在电极与工件之间的气体介 质中长时间有力的放电现象，即局部气体介 质中有大量电子流通过的导电现象。 正接是将工件接到电源的正极，焊条（或电 极）接到负极；反接是将工件接到电源的负 极，焊条（或电极）接到正极。正接时工件 的温度相对高一些，反接时焊缝含H量低一些。




焊件产生变形主要是由焊接应力所引起， 预防焊接应力的措施对防止焊接变形都是 有效的。防止焊接变形的措施还有： ⑴设计用对称或大刚度结构，焊缝对称分 布。 ⑵施焊用反变形或刚性夹持，正确选择焊 接参数、次序。 焊接变形的矫正方法：机械矫正法、火焰 加热矫正法。 3．焊接裂纹：与焊接应力过大、焊接材 料成分（S、P含量）、焊缝金属结晶特点 （结晶区间）、含氢量有关。



⑷焊条的选用原则 ①低碳钢和普通低合金钢构件，一般都要求 焊缝金属与母材等强度，因此可根据钢材的 强度等级来选用相应的焊条。（等强度原则） ②同一强度等级的酸性或碱性焊条的选定， 主要应考虑焊接件的结构形状（简单或复 杂）、钢板厚度、载荷性质（静载或动载） 和钢材的抗裂性能而定。对要求塑性好、冲 击韧度高、抗裂能力强或低温性能好的结构， 要选用碱性焊条。如果构件受力不复杂、母 材质量好，应尽量选用较经济的酸性焊条。



焊接应力的存在将影响焊接构件的使用性能， 其承载能力大为降低。 对于承载大的构件、压力容器等重要结构件， 焊接应力必须予以防止和消除。 ⑴设计时，选用塑性好的材料，避免焊缝密集 交叉，避免焊缝截面过大和焊缝过长。 ⑵在施焊中应确定正确的焊接次序。 ⑶焊前预热可减少焊件各部位间的温差，从而 显著减少焊接应力。 ⑷焊接中采用小能量焊接方法或锤击焊缝亦可 减少焊接应力。 ⑸当需要较彻底地消除焊接应力时，可采用焊 后去应力退火或振动消除应力。

当电弧向前移动时，工件和焊条不断熔化 汇成新的熔池。原来的熔池则不断冷却凝 固，构成连续的焊缝。覆盖在焊缝表面的 熔渣也逐渐凝固成为固态渣壳。这层熔渣 和渣壳对焊缝成形的好坏和减缓金属的冷 却速度有着重要的作用。